RU2411474C1 - High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors - Google Patents
High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411474C1 RU2411474C1 RU2010105448/28A RU2010105448A RU2411474C1 RU 2411474 C1 RU2411474 C1 RU 2411474C1 RU 2010105448/28 A RU2010105448/28 A RU 2010105448/28A RU 2010105448 A RU2010105448 A RU 2010105448A RU 2411474 C1 RU2411474 C1 RU 2411474C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- radius
- radial
- thin
- strain gauges
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред при воздействии нестационарных температур.The present invention relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of liquid and gaseous aggressive media when exposed to non-stationary temperatures.
Современные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [1, 2]. Они содержат нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), состоящие из упругого элемента (УЭ) простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (мембрана с жестким центром, две мембраны, соединенные между собой штоком и др.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных тонкопленочных диэлектрических, тензорезистивных, терморезистивных, контактных и других слоев, сформированных на мембране. В случае металлической мембраны высота ее микронеровностей составляет не более 50-100 нм. По данным последних исследований толщина тензорезистивного слоя составляет 40-100 нм. Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензорезисторы, терморезисторы, контактные проводники и др.) объединяются в измерительную цепь.Modern thin-film strain gauge pressure sensors relate to products of nano- and microsystem technology [1, 2]. They contain nano- and microelectromechanical systems (NIMEMS), consisting of an elastic element (RE) simple (membrane, rod, beam, etc.) or complex shape (membrane with a rigid center, two membranes connected by a rod, etc. ), heterogeneous structure, sealing contact block, connecting conductors. The heterogeneous structure consists of nano- and micro-sized thin-film dielectric, tensoresistive, thermoresistive, contact and other layers formed on the membrane. In the case of a metal membrane, the height of its microroughness is not more than 50-100 nm. According to recent studies, the thickness of the resistive layer is 40-100 nm. The elements formed in the heterogeneous structure (strain gauges, thermistors, contact conductors, etc.) are combined into a measuring circuit.
Известны тензорезисторные датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальных и тангенциальных направлениях и соединенными в мостовую измерительную цепь [3, 4]. При толщинах мембран 0,1…0,3 мм таким датчикам свойственна достаточно высокая нелинейность (до 0,4%) из-за неоптимального расположения тензорезисторов по радиусу мембраны.Known strain gauge pressure sensors with strain gauges located on the membrane in radial and tangential directions and connected to a bridge measuring circuit [3, 4]. With membrane thicknesses of 0.1 ... 0.3 mm, such sensors are characterized by a rather high non-linearity (up to 0.4%) due to the non-optimal arrangement of strain gages along the radius of the membrane.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системой [5], выбранный в качестве прототипа. Датчик 1 содержит корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе. Тензорезисторы выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов, имеющих одинаковую форму. Радиальные тензоэлементы, включенные в два противоположных плеча измерительного моста, расположены на периферии мембраны. Два других плеча измерительного моста выполнены в виде радиальных тензоэлементов, расположенных на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, выполненного на мембране.The closest in technical essence to the proposed solution is a pressure sensor with a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system [5], selected as a prototype. The
Датчик давления, выбранный в качестве прототипа, имеет недостаточную точность из-за возникающей нелинейности мостовой измерительной цепи, которая обусловлена тем, что расположенные на периферии мембраны и на границе тонкой части мембраны и жесткого центра радиальные тензорезисторы неодинаково деформируются. Радиальные тензорезисторы, находящиеся на периферии мембраны, испытывают большие деформации, чем испытывают деформации радиальные тензорезисторы, расположенные на границе тонкой части мембраны и жесткого центра. Вследствие этого происходит неодинаковое изменение сопротивлений тензорезисторов смежных плеч мостовой измерительной цепи. Появляется погрешность от нелинейности, которая зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч измерительной цепи ε1, ε2, ε3, ε4 [6]. Для тензорезисторных датчиков по прототипу при толщинах мембран 0,1…0,3 мм величина нелинейности может достигать 0,06%.The pressure sensor selected as a prototype has insufficient accuracy due to the non-linearity of the bridge measuring circuit, which is due to the fact that the radial strain gauges located on the periphery of the membrane and on the boundary of the thin part of the membrane and the rigid center are not deformed. Radial strain gages located on the periphery of the membrane experience greater deformations than radial strain gages located on the boundary of the thin part of the membrane and the rigid center. As a result of this, an unequal change in the resistances of the strain gauges of adjacent arms of the bridge measuring circuit occurs. An error arises from nonlinearity, which depends on the symmetry coefficient k and the relative changes in the arm resistances of the measuring circuit ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 [6]. For strain gauge sensors of the prototype with a membrane thickness of 0.1 ... 0.3 mm, the magnitude of the non-linearity can reach 0.06%.
Таким образом, в прототипе при размещении тензорезисторов на периферии мембраны и на границе тонкой части мембраны и жесткого центра возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, которая обусловлена возникновением несимметрии сопротивлений и различием относительных изменений сопротивлений радиальных тензорезисторов, расположенных на периферии мембраны, и радиальных тензорезисторов, расположенных на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, при деформациях мембраны, так как восприятие относительных деформаций радиальными и окружными тензоэлементами отличаются друг от друга.Thus, in the prototype when placing strain gages on the periphery of the membrane and on the boundary of the thin part of the membrane and the hard center, an error arises from the nonlinearity of the measuring circuit, which is caused by the asymmetry of the resistances and the difference in the relative changes in the resistances of the radial strain gages located on the periphery of the membrane and the radial strain gages located at the boundary of the thin part of the membrane and the hard center, with membrane deformations, since the perception of relative deformations p Adial and circumferential strain elements differ from each other.
Недостатком датчика давления по прототипу является также сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарных температур вследствие различного расстояния от центра мембраны тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы.The disadvantage of the pressure sensor of the prototype is also a relatively large error when exposed to unsteady temperatures due to different distances from the center of the membrane of the strain gauges included in the opposite shoulders of the bridge measuring circuit.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейности путем расположения тензоэлементов, воспринимающих положительные радиальные деформации, на радиусе с максимальной положительной радиальной составляющей деформаций мембраны при данном радиусе ее жесткого центра и толщине, а тензоэлементов, воспринимающих отрицательные радиальные деформации, на радиусе равенства абсолютного значения отрицательных радиальных деформаций максимальным положительным радиальным деформациям мембраны с жестким центром. Задачей является также уменьшение погрешности от воздействия нестационарных температур за счет уменьшения разницы расстояний от центра мембраны тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы.The objective of the invention is to reduce non-linearity by arranging tensile elements that accept positive radial deformations on a radius with the maximum positive radial component of membrane deformations for a given radius of its rigid center and thickness, and strain elements that accept negative radial deformations, on a radius of equality of the absolute value of negative radial deformations with the maximum positive radial deformations of the membrane with a rigid center. The objective is also to reduce the error from the effects of unsteady temperatures by reducing the difference in the distances from the center of the membrane of the strain gauges included in the opposite arms of the bridge measuring circuit.
Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет уменьшения нелинейности измерительной цепи датчика путем расположения радиальных тензоэлементов, воспринимающих отрицательные радиальные деформации на радиусе равенства абсолютного значения отрицательных радиальных деформаций максимальным положительным радиальным деформациям мембраны. Техническим результатом является также уменьшение погрешности от воздействия нестационарных температур за счет уменьшения разницы расстояний от центра мембраны до тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы.The technical result of the invention is to increase accuracy by reducing the nonlinearity of the measuring circuit of the sensor by arranging radial strain elements that perceive negative radial deformations on the radius of equality of the absolute value of negative radial deformations to the maximum positive radial deformations of the membrane. The technical result is also to reduce the error from the effects of unsteady temperatures by reducing the difference in the distances from the center of the membrane to the strain gauges included in the opposite arms of the bridge measuring circuit.
Это достигается тем, что в датчике давления повышенной точности на основе нано- и микроэлектромеханической системы с тонкопленочными тензорезисторами, содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, заделанную по контуру в опорном основании, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из идентичных тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из идентичных тензоэлементов, расположенных по второй окружности мембраны, соединенные тонкопленочными перемычками, включенные в измерительный мост, тензоэлементы первых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношенияThis is achieved by the fact that in a high-precision pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system with thin-film strain gauges containing a housing, a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) installed in it, consisting of an elastic element - a membrane with a rigid center, is embedded along the contour in a support base formed on it of a heterogeneous structure of thin films of materials in which contact pads are formed, the first radial strain gauges of identical strain gauges located at about one circumference of the membrane, and the second radial strain gauges from identical strain gauges located on the second circumference of the membrane, connected by thin-film jumpers included in the measuring bridge, the strain gauges of the first radial strain gauges are located on a circle whose radius is determined from the ratio
где: r1(x, w) - относительный радиус расположения тензоэлементов, воспринимающих отрицательные радиальные деформации;where: r 1 (x, w) is the relative radius of the location of the strain elements that perceive negative radial deformation;
Rm - радиус мембраны;R m is the radius of the membrane;
w - толщина мембраны;w is the thickness of the membrane;
х - относительный радиус жесткого центра (отношение радиуса жесткого центра Rc к радиусу мембраны Rm);x is the relative radius of the rigid center (the ratio of the radius of the rigid center R c to the radius of the membrane R m );
р, q, s и t - полиномиальные коэффициенты;p, q, s and t are polynomial coefficients;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 1;subscript i is the index defining the polynomial coefficient in accordance with table 1;
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная х или w;superscript i is the degree to which the variable x or w is raised;
полиномиальные коэффициенты р, q, s и t в формуле (1) имеют значения, приведенные в таблице 1,the polynomial coefficients p, q, s and t in the formula (1) have the values given in table 1,
а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения:and the strain elements of the second radial strain gauges are located on a circle whose radius is determined from the relation:
где: r2(х, w) - относительный радиус расположения тензоэлементов, воспринимающих максимальные положительные радиальные деформации;where: r 2 (x, w) is the relative radius of the location of the tensile elements perceiving the maximum positive radial deformation;
w - толщина мембраны;w is the thickness of the membrane;
х - относительный радиус жесткого центра (отношение радиуса жесткого центра Rc к радиусу мембраны Rm);x is the relative radius of the rigid center (the ratio of the radius of the rigid center R c to the radius of the membrane R m );
m, n и k - полиномиальные коэффициенты;m, n and k are polynomial coefficients;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 2;subscript i is the index defining the polynomial coefficient in accordance with table 2;
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная х или w;superscript i is the degree to which the variable x or w is raised;
полиномиальные коэффициенты m, n и k в формуле (2) имеют значения, приведенные в таблице 2.polynomial coefficients m, n and k in the formula (2) have the meanings given in table 2.
На фиг.1, 2 показана конструкция датчика давления. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2 (фиг.1), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5. Тонкопленочная НиМЭМС 3 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.Figure 1, 2 shows the design of the pressure sensor. The sensor contains a
На фиг.2 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 6 с жестким центром 7, жестко заделанной по контуру, с опорным основанием 8 за границей 9 мембраны с жестким центром, гетерогенной структуры 10, контактной колодки 11, герметизирующей втулки 12, соединительных проводников 13, выводных колков 14, диэлектрических втулок 15.Figure 2 separately shows a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) sensor. It consists of an elastic element - a
На планарной стороне металлической мембраны 6 с жестким центром 7 методами тонкопленочной технологии образована гетерогенная структура 10 (фиг.3а, б) из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащая тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои. В гетерогенной структуре сформированы радиальные тензорезисторы 16, 17, 18, 19, а также тонкопленочные перемычки 20 и контактные площадки 21. Тензорезисторы 16-19 образуют плечи мостовой измерительной цепи, они выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов 22, имеющих одинаковую форму.On the planar side of the
На фиг.4 отдельно представлен тензоэлемент 22 с перемычками 20, сформированными в гетерогенной структуре 10 тонкопленочной НиМЭМС датчика давления, где 23 - диэлектрик SiO; 24 - тензорезистивный слой Х20Н75Ю; 25 - подслой перемычки V; 26 - материал перемычки Au.Figure 4 separately presents a strain gauge 22 with jumpers 20 formed in a
Гетерогенная структура 10 (фиг.3) может состоять из четырех нано- и микроразмерных слоев, образованных на металлической мембране 6 (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика).The heterogeneous structure 10 (Fig. 3) may consist of four nano- and micro-sized layers formed on a metal membrane 6 (36NХТУ steel may be the material of the membrane) with a microroughness height of not more than 50-100 nm (with a membrane microroughness height of more than 100 nm it becomes fundamentally impossible to obtain stable thin-film structures, and therefore new qualitative indicators characteristic of the sensor).
Первый слой - подслой диэлектрика. Подслой диэлектрика, во-первых, служит демпфером между упругим элементом и диэлектриком для снятия температурных напряжений, возникающих в процессе напыления, а во-вторых, обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом упругого элемента. Толщина подслоя равна 150-300 нм. Материалом подслоя диэлектрика может быть хром, Cr.The first layer is the dielectric sublayer. First, the dielectric sublayer serves as a damper between the elastic element and the dielectric to relieve temperature stresses arising during the deposition process, and secondly, it ensures the adhesion of the dielectric film with the material of the elastic element. The thickness of the sublayer is 150-300 nm. The material of the dielectric sublayer may be chromium, Cr.
Второй - диэлектрический слой. Его задачей является обеспечение электрической изоляции между тензосхемой и упругим элементом в широком диапазоне температур. Поэтому к диэлектрику предъявляются жесткие требования по пористости, высокому удельному сопротивлению и, в связи с тем, что он работает при воздействии значительных механических нагрузок, высоким прочностным характеристикам. В качестве диэлектрического слоя может быть тонкопленочная структура SiO-SiO2.The second is the dielectric layer. Its task is to provide electrical insulation between the tensor circuit and the elastic element in a wide temperature range. Therefore, stringent requirements are imposed on the dielectric in terms of porosity, high specific resistance and, due to the fact that it works under the influence of significant mechanical loads, high strength characteristics. As the dielectric layer may be a thin-film structure of SiO-SiO 2 .
Третий - резистивный слой. Его толщина составляет 40…100 нм. К нему предъявляются очень жесткие требования: максимальный коэффициент тензочувствительности; высокие механические характеристики; большое удельное сопротивление; высокая температурная стабильность; хорошая адгезия с диэлектрическим слоем и материалом контактных групп; низкое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС); широкий рабочий диапазон температур (от криогенных до 300°С); его температурный коэффициент тензочувствительности (ТКТ) должен быть близок к температурному коэффициенту модуля упругости (ТКМУ) материала упругого элемента и др. Материалом резистивного слоя может быть Х20Н75Ю.The third is the resistive layer. Its thickness is 40 ... 100 nm. Very stringent requirements are imposed on it: maximum coefficient of strain sensitivity; high mechanical characteristics; high resistivity; high temperature stability; good adhesion with the dielectric layer and the material of the contact groups; low value of temperature coefficient of resistance (TCS); wide operating temperature range (from cryogenic to 300 ° С); its temperature coefficient of strain sensitivity (TKT) should be close to the temperature coefficient of elastic modulus (TKMU) of the material of the elastic element, etc. The material of the resistive layer can be X20N75Yu.
Четвертый слой - контактная группа (площадки, перемычки, проводники). К нему предъявляются следующие требования: хорошая адгезия и низкое переходное сопротивление с материалом тензорезистора; низкое удельное сопротивление; малый уровень тепловой и электромиграции; хорошая свариваемость с выводными проводниками при минимальной толщине; широкий диапазон рабочих температур; низкий уровень окисления при воздействии рабочих температур и во времени. Толщина контактных площадок и проводников для исключения отслоения от диэлектрика, особенно при воздействии широкого диапазона температур, должна быть не более 100 нм. В качестве контактной группы может быть структура V-Au.The fourth layer is the contact group (pads, jumpers, conductors). The following requirements are imposed on it: good adhesion and low transition resistance with a strain gauge material; low resistivity; low level of heat and electromigration; good weldability with lead-out conductors with a minimum thickness; wide range of operating temperatures; low oxidation when exposed to operating temperatures and over time. The thickness of the pads and conductors to exclude delamination from the dielectric, especially when exposed to a wide temperature range, should be no more than 100 nm. As the contact group may be the structure of V-Au.
Первые радиальные тензорезисторы 16 и 18 (из идентичных тензоэлементов 22), включенные в два противоположных плеча измерительного моста, расположены по радиусу, определенному из соотношения (1). Вторые радиальные тензорезисторы 17 и 19 (из идентичных тензоэлементов 22), включенные в два других противоположных плеча измерительного моста, расположены по радиусу, определенному из соотношения (2).The first radial strain gauges 16 and 18 (from identical strain gauges 22) included in the two opposite arms of the measuring bridge are located along a radius determined from relation (1). The second radial strain gauges 17 and 19 (from identical strain gauges 22) included in the other two opposite arms of the measuring bridge are located along a radius determined from relation (2).
Рассмотрим пример.Consider an example.
Возьмем толщину мембраны w=0,2 мм, радиус мембраны Rm=5 мм и радиус жесткого центра мембраны Rc=3 мм.Take the membrane thickness w = 0.2 mm, the radius of the membrane R m = 5 mm and the radius of the rigid center of the membrane R c = 3 mm.
Относительный радиус жесткого центра тогда равен: х=Rc/Rm=0,6.The relative radius of the rigid center is then equal to: x = R c / R m = 0.6.
Вычислим промежуточные полиномы выражения (1) в соответствии с коэффициентами из таблицы 1:We calculate the intermediate polynomials of expression (1) in accordance with the coefficients from table 1:
Подставив значения в формулу (1), получим:Substituting the values in the formula (1), we obtain:
При этом относительный радиус 
Аналогично вычислим радиус R2 в соответствии с формулой (2) и таблицей 2.Similarly, calculate the radius R 2 in accordance with formula (2) and table 2.
Вычислим промежуточные полиномы выражения (2) в соответствии с коэффициентами из таблицы 2:We calculate the intermediate polynomials of expression (2) in accordance with the coefficients from table 2:
Подставив значения в формулу (2), получимSubstituting the values in the formula (2), we obtain
При этом относительный радиус 
Соотношения для относительных радиусов r1 и r2, входящие в формулы (1) и (2), были получены в результате моделирования деформаций методом конечных разностей [7, 8]. Для значений толщин мембраны w в диапазоне 0,1-0,3 мм (обычно используемых на практике) изменялось соотношение радиусов жесткого центра и радиуса мембраны и определялось значение радиуса максимальных относительных положительных деформаций и радиуса относительных отрицательных радиальных деформаций, при котором абсолютное значение относительных отрицательных радиальных деформаций равно максимальным относительным положительным радиальным деформациям. Полученные данные максимальных относительных положительных радиальных деформаций (фиг.6) и относительных отрицательных радиальных деформаций при равенстве их абсолютного значение максимальным относительным положительным радиальным деформациям (фиг.5) аппроксимировались в диапазоне относительных радиусов жесткого центра от 0,1 до 0,8 (представляющих интерес с практической точки зрения) полиномом. Полученная зависимость полиномов для толщин от 0,1 до 0,3 мм аппроксимировалась другим полиномом. Объединив полиномы при граничных значениях диапазона толщин с полиномом зависимости вида кривых от толщины, были получены выражения (1) и (2), являющиеся функцией двух переменных. На фиг.8 показаны зависимости относительного радиуса максимальных относительных положительных радиальных деформаций от относительного радиуса жесткого центра при разных толщинах мембраны, полученные с помощью формулы (2). На фиг.7 представлены семейства кривых зависимости радиуса равенства абсолютного значения относительных отрицательных радиальных деформаций максимальным относительным положительным радиальным деформациям от относительного радиуса жесткого центра при разных толщинах мембраны с жестким центром, полученные по формуле (1). На фиг.9 приведен трехмерный график функции (1) в диапазоне значений относительного радиуса жесткого центра 0,1-0,8 и толщин мембраны 0,1-0,3 мм.The ratios for the relative radii r 1 and r 2 included in formulas (1) and (2) were obtained as a result of modeling deformations by the finite difference method [7, 8]. For membrane thicknesses w in the range 0.1–0.3 mm (commonly used in practice), the ratio of the radii of the rigid center and the radius of the membrane was changed and the value of the radius of maximum relative positive deformations and the radius of relative negative radial deformations at which the absolute value of relative negative radial strain equal to the maximum relative positive radial strain. The obtained data of the maximum relative positive radial deformations (Fig.6) and relative negative radial deformations, when their absolute value is equal to the maximum relative positive radial deformations (Fig.5), were approximated in the range of relative radii of the rigid center from 0.1 to 0.8 (of interest from a practical point of view) a polynomial. The obtained dependence of polynomials for thicknesses from 0.1 to 0.3 mm was approximated by another polynomial. Combining the polynomials at the boundary values of the thickness range with the polynomial of the dependence of the form of the curves on the thickness, expressions (1) and (2) were obtained, which are a function of two variables. On Fig shows the dependence of the relative radius of the maximum relative positive radial deformation on the relative radius of the hard center at different thicknesses of the membrane, obtained using formula (2). In Fig. 7, families of curves of the dependence of the radius of equality of the absolute value of relative negative radial deformations to the maximum relative positive radial deformations on the relative radius of the hard center for different thicknesses of the membranes with a hard center, obtained by the formula (1), are presented. Figure 9 shows a three-dimensional graph of function (1) in the range of the relative radius of the rigid center of 0.1-0.8 and the membrane thickness of 0.1-0.3 mm.
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 с жестким центром 7. В результате этого на планарной поверхности мембраны возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 16-19, включенными в мостовую измерительную цепь. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением радиальных тензорезисторов 16 и 18 (из идентичных тензоэлементов 22) по окружности, радиус которой R1 (относительный радиус 
Анализ показывает, что при наличии жесткого центра и увеличении отношения радиуса жесткого центра Rc к радиусу мембраны Rm и при уменьшении разницы расстояний от центра мембраны до тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы уменьшается влияние термоудара и, соответственно, температурная погрешность датчика от воздействия нестационарных температур. При этом при отношении радиуса жесткого центра Rc к радиусу мембраны Rm в диапазоне 0,1-0,85 с использованием соотношений (1) и (2) обеспечивается оптимальное формирование радиальных тензорезисторов на мембране, позволяющее получить минимальную нелинейность датчика. В предлагаемой конструкции при размещении первых (16 и 18) и вторых (17 и 19) радиальных тензорезисторов на мембране с жестким центром указанным образом не возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, так как не возникает несимметрия плеч измерительного моста при деформации благодаря равенству по абсолютной величине относительных радиальных деформаций в местах установки тензоэлементов первых и вторых радиальных тензорезисторов. При этом относительные изменения сопротивлений радиальных тензорезисторов равны по абсолютной величине.The analysis shows that with a rigid center and an increase in the ratio of the radius of the rigid center R c to the radius of the membrane R m and with a decrease in the difference in the distance from the center of the membrane to the strain gauges included in the opposite arms of the bridge measuring circuit, the influence of thermal shock and, accordingly, the temperature error of the sensor from exposure to unsteady temperatures. Moreover, with the ratio of the radius of the rigid center R c to the radius of the membrane R m in the range 0.1-0.85 using relations (1) and (2), the optimal formation of radial strain gauges on the membrane is ensured, which allows to obtain a minimum non-linearity of the sensor. In the proposed design, when placing the first (16 and 18) and second (17 and 19) radial strain gauges on a membrane with a rigid center, in this way, an error does not arise from the nonlinearity of the measuring circuit, since there is no asymmetry of the arms of the measuring bridge during deformation due to equality in absolute value relative radial deformations in the places of installation of the strain elements of the first and second radial strain gauges. Moreover, the relative changes in the resistances of the radial strain gauges are equal in absolute value.
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность датчика за счет уменьшения нелинейности и погрешности от воздействия нестационарных температур. Кроме того, повышается технологичность за счет возможности размещения тензорезисторов оптимальным образом при различных отношениях радиуса жесткого центра к радиусу мембраны (в диапазоне 0,1-0,85) и толщин мембраны (в диапазоне 0,1-0,3 мм).Thus, due to the distinguishing features of the invention, the accuracy of the sensor is improved by reducing non-linearity and error from exposure to non-stationary temperatures. In addition, manufacturability is improved due to the possibility of placing strain gages in an optimal way for different ratios of the radius of the rigid center to the radius of the membrane (in the range of 0.1-0.85) and membrane thicknesses (in the range of 0.1-0.3 mm).
Источники информацииInformation sources
1. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники. // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - №.12. - С.49-51.1. Belozubov EM, Belozubova N.E. Thin-film strain gauge pressure sensors are products of nano- and microsystem technology. // Nano- and microsystem technology. - 2007. - No. 12. - S. 49-51.
2. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Громков Н.В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных и перспективных датчиков давления для ракетной и авиационной техники. // Измерительная техника. - М., 2009 - №7. - С.35-38.2. Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Gromkov N.V. Thin-film nano- and microelectromechanical systems are the basis of modern and promising pressure sensors for rocket and aviation equipment. // Measuring technique. - M., 2009 - No. 7. - S. 35-38.
3. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов. // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002.- №4. - С.97-108.3. Vasiliev V.A. Technological features of solid-state membrane sensitive elements. // Bulletin of Moscow State Technical University. Ser. Instrument making. - M., 2002.- No. 4. - S.97-108.
4. Патент РФ №1569613, МПК G01L 9/04, Бюл. №21 от 07.06.90. Датчик давления. / Е.М.Белозубов.4. RF patent No. 1569613,
5. Патент РФ №2345341, МПК G01L 9/04, G01L 7/08. Бюл. №3 от 27.01.09. Датчик давления. / Е.М.Белозубов, Н.Е.Белозубова.5. RF patent No. 2345341,
6. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур. // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.6. Vasiliev V.A., Tikhonov A.I. Analysis and synthesis of measuring circuits of information converters based on solid-state structures. // Metrology. - M., 2003. - No. 1. - S.3-20.
7. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Моделирование деформаций мембран датчиков давления. // Измерительная техника. - М., 2009. - №3. - С.33-36.7. Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Chernov P.S. Modeling the deformation of the membranes of pressure sensors. // Measuring technique. - M., 2009. - No. 3. - S.33-36.
8. Belozubov Е.М., Vasil′ev V.A., Chemov P.S. Simulation of Deformations in the membranes of preasure transducers. // Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009. - V.52. - N3. - P.271-276.8. Belozubov E.M., Vasil′ev V.A., Chemov P.S. Simulation of Deformations in the membranes of preasure transducers. // Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009 .-- V. 52. - N3. - P.271-276.
Claims (1)
где r1(x, w) - относительный радиус расположения тензоэлементов, воспринимающих отрицательные радиальные деформации;
Rm - радиус мембраны;
w - толщина мембраны;
x - относительный радиус жесткого центра (отношение радиуса жесткого центра Rc к радиусу мембраны Rm);
р, q, s, и t - полиномиальные коэффициенты;
полиномиальные коэффициенты р, q, s, и t в формуле (1) имеют значения, приведенные в таблице 1,
а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения
где r2(x, w) - относительный радиус расположения тензоэлементов, воспринимающих максимальные положительные радиальные деформации; полиномиальные коэффициенты m, n и k в формуле (2) имеют значения, приведенные в таблице 2.
where r 1 (x, w) is the relative radius of the location of the tensile elements perceiving negative radial deformation;
R m is the radius of the membrane;
w is the thickness of the membrane;
x is the relative radius of the rigid center (the ratio of the radius of the rigid center R c to the radius of the membrane R m );
p, q, s, and t are polynomial coefficients;
the polynomial coefficients p, q, s, and t in the formula (1) have the meanings given in table 1,
and the strain elements of the second radial strain gauges are located on a circle whose radius is determined from the relation
where r 2 (x, w) is the relative radius of the location of the tensile elements perceiving the maximum positive radial deformation; polynomial coefficients m, n and k in the formula (2) have the meanings given in table 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010105448/28A RU2411474C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010105448/28A RU2411474C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2411474C1 true RU2411474C1 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=46309332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010105448/28A RU2411474C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2411474C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516375C1 (en) * | 2012-11-28 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system for precision measurements |
| RU2554083C1 (en) * | 2014-04-22 | 2015-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ПГУ") | Manufacturing method of nano- and micro-sized system of sensor of physical values with specified positive temperature coefficient of resistance of resistive elements |
| RU2619447C1 (en) * | 2016-02-24 | 2017-05-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Pressure meter based on nano- and microelectromechanical system with beam elastic elements |
| RU2750503C1 (en) * | 2020-12-07 | 2021-06-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method for producing a multilayer thin-film heterostructure with a given value of specific surface resistance |
-
2010
- 2010-02-15 RU RU2010105448/28A patent/RU2411474C1/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516375C1 (en) * | 2012-11-28 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system for precision measurements |
| RU2554083C1 (en) * | 2014-04-22 | 2015-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ПГУ") | Manufacturing method of nano- and micro-sized system of sensor of physical values with specified positive temperature coefficient of resistance of resistive elements |
| RU2619447C1 (en) * | 2016-02-24 | 2017-05-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Pressure meter based on nano- and microelectromechanical system with beam elastic elements |
| RU2750503C1 (en) * | 2020-12-07 | 2021-06-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method for producing a multilayer thin-film heterostructure with a given value of specific surface resistance |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2398195C1 (en) | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system | |
| JPH0257853B2 (en) | ||
| GB2369889A (en) | Strain sensing device | |
| RU2411474C1 (en) | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors | |
| Tian et al. | The novel structural design for pressure sensors | |
| KR20170120040A (en) | Method of manufacturing a pressure sensor | |
| CN107267944B (en) | High-temperature film half-bridge resistance strain gauge with temperature self-compensation function and preparation method thereof | |
| RU2399031C1 (en) | Pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system | |
| RU2427810C1 (en) | Pressure sensor of increased sensitivity based on nano- and microelectromechanical system with thin-film resistance strain gauges | |
| CN111238361B (en) | Graphene temperature strain sensor | |
| CN209878208U (en) | MEMS Pirani vacuum gauge | |
| RU2397460C1 (en) | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system | |
| RU2312319C2 (en) | Thin-film pressure gage | |
| Ghanam et al. | MEMS shielded capacitive pressure and force sensors with excellent thermal stability and high operating temperature | |
| RU2391640C1 (en) | Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| Niwa et al. | Strain sensors and pressure sensors using Cr─ N thin films for high‐pressure hydrogen gas | |
| RU2555190C1 (en) | Semiconductor pressure converter | |
| RU2408857C1 (en) | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| Frantlović et al. | A method enabling simultaneous pressure and temperature measurement using a single piezoresistive MEMS pressure sensor | |
| RU2398196C1 (en) | Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| Qandil et al. | Considerations in the design and manufacturing of a load cell for measuring dynamic compressive loads | |
| JP4988938B2 (en) | Temperature sensitive strain sensor | |
| RU2399030C1 (en) | Thin-film pressure sensor | |
| RU2601613C1 (en) | Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre | |
| RU2346250C1 (en) | Mechanical quantities measuring device (versions) and method of its production |